автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление технологическим процессом лазерной сварки металлов по измеряемым в реальном времени параметрам

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ ПО ИЗМЕРЯЕМЫМ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ ПАРАМЕТРАМ

Специальности:

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (машиностроение). 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления.

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание учёной степени кандидата технических наук

3 О ИЮН 2011

Набережные Челны - 2011

4851286

Работа выполнена на кафедре «Высокоэнергетическая и пищевая инженерия» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Камская государственная инженерно-экономическая академия».

Научный руководитель Научный консультант

кандидат технических наук, доцент Звездин Валерий Васильевич

доктор технических наук, профессор Исрафилов Ирек Хуснемарданович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ильин Герман Иванович кандидат технических наук, доцент Сабиров Ильдар Салихзянович

Ведущая организация

Федеральное государственное унитарное предприятие «СКТБ «Мединструмент»

Защита состоится «£» июля 2011 г. в" на заседании диссертационного совета Д 212.309.01 при ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия» по адресу: 423810, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19.

Ваши отзывы, заверенные печатью, просим выслать по адресу: 423810, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Камской государственной инженерно-экономической академии».

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия» www.ineka.ru.

Автореферат разослан «Ч» 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Л.А. Симонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из тенденций развития современного машиностроения является широкое использование сварки как одного из эффективных методов снижения себестоимости выпускаемой продукции за счет повышения коэффициента использования материалов, расширения возможностей применения сочетания различных материалов при изготовлении изделий. Обеспечение стабильности свойства сварного шва, а также высоких экономических показателей требует примепеиия в технологическом процессе (ТП) систем автоматизированного управления (САУ). Разработанные и применяемые в настоящее время технологические приемы не позволяют в полном объеме решить все проблемы автоматизации процесса сварки.

В качестве материалов свариваемых изделий чаще всего используются низкоуглеродистые стали. Основные проблемы применения автоматизации для производства изделий из свариваемых металлов связаны с малой изученностью процессов и явлений, протекающих при реализации лазерной сварки (ЛС). Качество получаемого изделия имеет сложную зависимость от технологических параметров процесса (плотность мощности излучения, скорость перемещения лазерного излучения (ЛИ), газовая среда и т. д.), что вызывает необходимость управления процессом посредством поддержания этих параметров в требуемых пределах. Однако, применение ЛИ, как высокоэффективного технологического инструмента, сдерживается неудовлетворительными точностными характеристиками системы управления лазерных технологических комплексов (ЛТК). Это обусловлено низкой информативностью параметров, измеряемых в реальном времени хода ТП и характеризующих физико-химические свойства сварного шва. Все это обуславливает необходимостью применения новых подходов к управлению процессом'ЛС, совершенствование автоматизированной системы управления ТП.

Разработка САУ процессом сварки является трудоемкой задачей, так как для выявления связей между показателями качества ТП и информативными параметрами, измеряемыми в реальном времени, требуется проведения большого количества экспериментов из-за сложности физико-химических процессов, протекающих в зоне взаимодействия ЛИ с металлами. Поэтому для сокращения экспериментальных исследований и повышения точности расчетов оптимальных технологических параметров сварки целесообразно применять математические методы моделирования, что позволит существенно сократить объем затрат. Кроме того, для обеспечения заданных показателей качества ТП и эффективной работы САУ ЛТК необходимо предусмотреть оптимальный выбор параметров их звеньев. В настоящее время в литературе отсутствует информация о попытках применения методов оптимизации решения поставленной задачи об алгоритмах управления и особенностях распределения теплового поля, возникающего в переходной зоне сварного шва.

Данная работа посвящена разработке методик и алгоритмов управления процессом ЛС в условиях машиностроительного производства на основе расчета математической модели распределения теплового поля в сварном шве по параметрам, измеряемым в реальном времени.

Объект исследования - процесс лазерной сварки металлов.

Предметом исследования является управление процессом сварки металлов на основе информативных параметров, измеряемых в реальном времени.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности лазерного технологического комплекса сварки металлов сложной формы за счет оптимизации параметров звеньев САУ и ТП для обеспечения требуемых показателей качества сварки.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научные задачи:

1. На основе экспериментальных исследований выявлены новые факторы, вносящие основной вклад в получение заданных показателей качества ТП лазерной сварки путем исследования результатов металлографического анализа образцов из конструкционных материалов.

2. Уменьшена погрешность измерения температуры в зоне взаимодействия лазерного излучения с металлом, обусловленная влиянием комплексного коэффициента передачи аналогового тракта преобразования измерителя температуры в зоне взаимодействия лазерного излучения с металлом.

3. Повышена точность фокусировки лазерного луча при криволинейном шве свариваемых деталей, за счет контроля фокуса лазерного излучения, что снижает влияние вибрации свариваемых деталей и лазерной головки на показатели качества ТП.

4. Разработан алгоритм выбора звеньев ЛТК с оптимальными параметрами для выполнения сварки с заданными показателями качества.

5. Разработана уточненная методика расчета и оптимизации параметров звеньев лазерного технологического комплекса сварки деталей сложной формы.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы математического и имитационного моделирования, реализованные в рамках численных экспериментов. Экспериментальные исследования по взаимодействию ЛИ с металлами проводились на лазере «Хебр-1,5» с использованием методов металлографического анализа образцов.

Положения, обладающие научной новизной:

1. Метод оптимизации параметров звеньев лазерного технологического комплекса с минимальным отклонением от заданного значения показателей качества лазерной сварки, на основе решения задач оптимизации, позволяющий рассчитывать параметры звеньев системы управления.(05.13.06)

2. Способ измерения температуры в зоне взаимодействия лазерного излучения с металлом на основе поляризационной фильтрации собственного теплового излучения и сравнительной оценки спектров атомарного излучения плазменного факела и заданного эталонного спектра, позволяющий повысить точность формирования управляющего воздействия, что сказывается на показателях качества сварки; (05.13.05)

3. Спосс ) контроля криволинейности сварного шва деталей сложной формы, отличающийся от известных тем, что существенно уменьшает влияние кривизны формы детали, механических вибраций свариваемых деталей и лазерной головки; (05.13.05)

Практическая ценность диссертационной работы определяется тем, что:

1. Предложенные алгоритмы и программное обеспечение позволяют сделать выбор оптимальных параметров звеньев системы управления для заданного ТГ1 с заданными показателями качества;

2. Предложены структурные схемы систем контроля температуры и топографии сварного шва, которые применены в разработках Государственного института прикладной оптики (ГИПО) г. Казань;

Реализация н внедрение результатов работы. Использование методики анализа и синтеза систем управления ЛТК с заданными показателями качества, косвенного метода измерения показателей качества ТП и методов обработки информационных сигналов, измеряемых в реальном времени, а также методов автоматического управления технологическим комплексом, позволили повысить показатели качества управления процессом ЛС металлов.

Использование результатов диссертационной работы привело к созданию новых технологий получения деталей с заданными показателями качества сварки. Все это позволило повысить эффективность использования лазерного оборудования. Результаты работы внедрены в работе ФГУП «СКТБ «Мединструмепт», ФГУП «НПО «Государственный институт прикладной оптики» (г. Казань), ЗАО «НПО «Оптоойл» (г. Казань), в учебном процессе ГОУ ВПО «ИНЭКА» и КГТУ им. А. И. Туполева, о чем свидетельствуют акты об использовании результатов работы.

Апробация работы. Основные результаты и отдельные разделы диссертации докладывались и обсуждались на VI Международном симпозиуме «Рссурсоэффективпость и энергосбережение» (г. Казань 2008 г.), межрегиональной научно-практической конференции «Студенческая наука в России на современном этапе» (ИНЭКА - Наб. Челны, 2008)), научных семинарах кафедры «Электротехники и электроники», «Высокоэнергетической и пищевой инженерии» и «Автоматизации и информационных технологий» «Камской государственной инженерно-экономической академии» и кафедры «Радиоэлектронных и квантовых устройств» КГТУ им. А. Н. Туполева.

В работах, выполненных в соавторстве, личное участие автора заключается в анализе проблем автоматизации процесса сварки металлов, решении задач, участие в разработке теоретических положений и экспериментальных исследований, анализе результатов и формулировании выводов.

На защиту выносятся положения, обладающие научной новизной:

• Метод оптимизации параметров звеньев лазерного технологического комплекса с минимальным отклонением от заданного значения показателей качества лазерной сварки, на основе решения задач оптимизации методом вершин, позволяющий рассчитывать параметры звеньев системы управления;

• Способ измерения температуры в зоне взаимодействия лазерного излучения с металлом па основе поляризационной фильтрации и спектрального анализа атомарного излучения плазменного факела, позволяющий повысить точность формирования управляющего воздействия, что сказывается на показателях качества сварки;

• Способ контроля топографии сварного шва, отличающийся от известных тем, что уменьшено влияние механических вибраций свариваемых деталей и лазерной головки.

• Предложенные алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие сделать выбор оптимальных параметров звеньев системы управления для заданного технологического процесса с заданными показателями качества; •

• Структурные схемы систем контроля температуры и топографии сварного шва.

Публикации. Содержащиеся в диссертации материалы нашли отражение в 10 научных трудах, в том числе, в I статье в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков, 5 таблиц, список литературы включает 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность задачи по сварке металлов в машиностроении, по оптимизации параметров звеньев ЛТК, по анализу и синтезу САУ для обеспечения заданного ТП, по исследованию ЛТК с обратными связями по параметрам, определяющим качество ТП, и измеряемым в реальном времени ТП. Дана ее общая характеристика.

В первой главе проведен обзор по технологиям сварки металлов с выявлением их особенностей, изложены предпосылки и необходимость исследований для решения поставленной задачи и определены пути ее решения, сформулированы цели, выявлены новые факторы, влияющие на стабильность заданных показателей качества ТП ЛС.

Исследования в области автоматизации ТП лазерной термообработки металлов проводились под руководством Абильсиитова Г. А., Андрияхина В. М., Гладуша Г. Г., Григорьянца А. Г., Гуреева Д. М., Введенова А. А., Велихова Е. П., Зуева И. В., Коваленко В. С., Лопоты В. А., Рыкалина Н. Н., Углова А. А. и др. Рассматривались различные подходы для стабилизации параметров ЛТК. Наиболее широко используется стабилизация мощности ЛИ с заданной плотностью энергии в зоне.

Исследования, проведенные по ЛС металлов, показывают зависимость свариваемости не только от параметров ТП, но и от физико-химических характеристик металлов. Стабильность качества сварного шва при оптимальном выборе свариваемых материалов, связанном с конструктивными особенностями изделия, в основном характеризуется значением и стабильностью параметров ТП. Существенное значение в этом играют параметры ЛТК. Здесь необходимо рассматривать ЛТК как совокупность взаимодействующих между собой звеньев сложной системы.

Применение лазера как высокоэффективного технологического инструмента сдерживается неудовлетворительными точностными характеристиками систем управления ЛТК. Это обусловлено низкой информативностью параметров, измеряемых в реальном времени ТП и характеризующих физико-химические свойства сварного шва.

Наименее изученным аспектом данной проблемы является систематизация подхода при расчете параметров ЛТК на основе экспериментальных зависимостей показателей качества ТП от энергетических характеристик лазерного излучения. В связи с этим, важными составными частями здесь входят исследования физических закономерностей взаимодействия излучения с металлами, выявление основных факторов, влияющих на показатели качества и создание методики расчета параметров ТК.

Представим в первом приближении лазерное излучение как точечный источник тепловой энергии. Воздействуя на поверхность металла, точечный источник тепловой энергии производит нагрев определенного объема металла выше температуры плавления. Скорость нагрева этого объема настолько высока, что тепловая энергия от разогретого объема не успевает передаться всему объему.

Отсюда следует, что главным критерием оценки качества параметров ТП выступает температура зоны взаимодействия:

Г(0 = (2аЛД^)/(л&(12^), (1)

где а - коэф. поглощения; % - коэф. температуропроводности; К - коэф. теплопроводности; V - скорость перемещения луча; г„— радиус пятна; Р -мощность излучения.

а) оптическое б) оптическое в) оптическое г)оптическое

увеличение х50 увеличение х100 увеличение х50 увеличение х 100 Рисунок - 3 Микроструктуры стали при скорости ЛИ: 1500 мм/мин, 2000 мм/мин

Рисунок - 2 Зависимость температуры от мощности лазерного излучения

-Н-.....'........'- '........щМ

ОМУ О! !/:? 0.11-1

Рисунок— 1 Зависимость температуры от радиуса лазерного пятна

.у =0.2! (<:>''!

1С»А''

Из рисунков 3 (а-г) видно, что скорость перемещения ЛИ практически не влияет на глубину испарения металла в зоне сварки.

Отимальный путь построения САУ ТК, приводящий к стабилизации показателей качества является стабилизация температуры в зоне сварки.

Во второй главе разработаны уточнения математической модели распределения теплового поля в зоне воздействия ЛИ для обеспечения требуемых значений показателей качества сварки металлов (отсутствие прожигов, непроваров, пор, раковин, глубина и ширина шва, микротвердость и т. д.) для расчета функциональной зависимости физических параметров ТП, методика расчета оптимальных режимов ТП; предложен метод когерентного голографического контроля стыка свариваемых деталей от теплофизических характеристик металлов на основе расчета математической модели и металлографических . исследований; выявлен новый фактор, влияющий на показатели качества ТП - установка зоны воздействия ЛИ относительно стыковой линии.

Тепловая задача. Для определения термического цикла микрообъема зоны обработки необходимо проводить анализ тепловых процессов. Существует множество методов расчета тепловых полей и их можно разделить на две группы: аналитические методы и методы расчета на основе численного моделирования.

Аналитические выражения просты, их удобно использовать для описания тепловых процессов в соответствующих случаях лазерной обработки материалов. Однако расчет по этим формулам не всегда обеспечивает хорошее совпадение с экспериментом, так как в реальных процессах лазерного нагрева теплофизические свойства являются непостоянными.

Все представленные выше подходы являются приближенными по целому ряду соображений.

1. Во всех случаях аналитические решения были получены на основе исходного линейного дифференциального уравнения теплопроводности, с теплофизическими коэффициентами материалов, не зависящими от температуры. Следующие параметры принимались постоянными: Лт - коэффициент теплопроводности; с - коэффициент объемной теплоемкости;»;- - коэффициент поверхностной теплоотдачи; Ах/, - эффективный коэффициент поверхностного поглощения.

На самом деле все эти параметры существенно зависят от температуры, и учет этих зависимостей значительно уточняет расчет.

2. Источники нагрева представлялись в расчетах в виде сосредоточенных точечных источников либо, в частных случаях, равномерного распределения плотности мощности в пятне нагрева или распределения по нормальному закону. В ряде случаев более эффективная лазерная обработка может быть обеспечена другими законами распределения плотности мощности, однако их учет в аналитических методах расчета весьма сложен.

3. Геометрия тела рассматривались в виде неограниченных или полуограниченных объемов, что существенно облегчает постановку задачи в части граничных условий. Для случаев, когда зона нагрева во много раз меньше размеров обрабатываемых деталей и в процессе лазерной обработки границы детали практически не нагреваются, это допущение является приемлемым. Но в

тех случаях, когда протяженность зоны обработки соизмерима с размерами тела, необходимо вводить в расчет действительную геометрию обрабатываемой детали с соответствующими условиями теплообмена на границах тела.

Более точные результаты расчетов могут быть получены при учете характера изменения теплофизических свойств материала в условиях быстрого нагрева и охлаждения при лазерной сварки. Это приводит к необходимости решения нелинейных дифференциальных уравнений теплопроводности. Решения задач еще более усложняются тем, что источник теплоты вследствие зависимости поглощательной способности от температуры дополнительно вносит нелинейность в дифференциальное уравнение. В общем случае к этому добавляется нелинейность граничных условий. Таким образом, уравнения теплопроводности применительно к лазерной сварки представляют собой сложную систему нелинейных дифференциальных уравнений.

В теории теплопроводности отсутствуют общие методы точного решения задач с учетом сформулированных выше нелинейностей. Поэтому обращаются к различным приближенным способам решения на основе аналитических представлений, численных методов, принципов моделирования, статистических методов и др.

В общем виде уравнение теплопроводности описывается следующим выражением:

= ЬТ + 0, (2)

01

где Д = + ~+~ - оператор Лапласа,

дх' ду~ дг'

О- удельное количество теплоты, выделяемое тепловым источником.

С учетом начальных и краевых условий, а также нелинейного изменения теплофизических свойств материала преобразуем выражение (2) в следующую систему уравнений:

1. Дифференциальное уравнение теплопроводности, определяющее тепловой баланс в некотором элементарном объеме тела

СРЫТ)'

дI дх

ЛАТ)^

дх

дУ.

МТ)^-02

= 0, (3)

где с(Т) - зависимость теплоемкости от температуры; ^¡(Т) - зависимость теплопроводности от температуры.

2. Задаются граничные условия, выражающие тепловой обмен на границах тела с окружающей средой

Г ат(Т)(Т-Т„),х = 1„у = 1у,2 = 1:, Чт = -"т (ТУТ - Т„),. {з = 0, (х, у) ítg},x = -I,,у = -1, (4)

[ 0,^ = 0 где а-1{Т) - зависимость коэффициента полной поверхностной теплоотдачи от температуры; То — температура окружающей среды; Т-температура поверхности.

Цт - удельный тепловой поток вблизи границы тела й находится по закону Фурье:

Чг=-1г(Т)~ |в, (5)

дп

где п - нормаль к поверхности тела в.

3. Начальные условия, определяющие состояние тела в нулевой момент времени. Например, задается температура во всех точках тела в начальный момент времени:

Г=0,1=0. (6)

4. Задаются теплофизические функции с(Т), >ч(Т), ат(Т), АЭф(Т).

Изменение теплоемкости от температуры для металла:

сСО-со + ъТ+а? (7)

Изменение коэффициента теплопроводности материала:

Лт(Т)= Я0+Л,Т+12Т (8)

Зависимость коэффициента полной поверхностной теплоотдачи от температуры описывается:

а (Т) = а0+ щ Т+ а: Т^+азТ^+а^Т1 (9)

Изменение плотности материала:

У(Т) = Го+пТ (10)

В итоге, получим систему уравнений (3)...(10) для решения тепловой задачи.

Из численных методов расчета для решения задач нелинейной теплопроводности широко применяют метод конечных разностей, метод конечных элементов, метод релаксаций, метод прямых и другие. Среди них наиболее распространенным в теории теплопроводности является метод конечных разностей.

Метод конечных разностей основан на конечно-разностной аппроксимации частных производных в исходной дифференциальной системе уравнений (3 6), приведению ее к системе алгебраических уравнений и решению полученной системы.

Основные этапы решения задачи методом конечных разностей:

1) Разбивка расчетной области с помощью сеток - получение массива п узлов;

2) Получение разностных выражений, описывающих разностные связи между соседними узлами сетки;

3) Составление и решение системы п алгебраических уравнений с п неизвестными (температуры в каждом узле в рассматриваемый момент времени).

Существуют разнообразные методы числового решения алгебраических систем уравнений. Особенность системы алгебраических уравнений, полученной методом конечных разностей, заключается в их разреженности, т. е. в наличии большого числа нулевых коэффициентов. Поэтому обычно используются не общие методы числового решения алгебраических систем уравнений, а специальные, разработанные для метода конечных разностей. Это - итерационные методы одновременных и последовательных смещений, метод релаксаций и ряд других. Смысл всех этих методов заключается в том, чтобы получить новые значения Т< ч во всех узлах сетки по значениям Т8 на предыдущем шаге во времени, после чего отыскиваются следующие значения Т5+2 по Т3+| и т. д.

Числовое решение тепловой задачи проводилось на ЭВМ. С этой целью для вышеизложенной последовательности числового решения был разработан алгоритм и соответствующая программа.

Программа численного моделирования тепловых процессов при лазерной сварки позволяет по заданной совокупности исходных данных получить массивы

значений температур во всех узлах расчетной области в Р шагов по времени, следующих с интервалом Дт. Варьируемыми параметрами модели являются конструктивные характеристики тела и источника, режим обработки, теплофизические свойства материала, условия теплообмена и т. д.

Численные методы позволяют получить решение тепловой задачи, которая может быть поставлена в более полном виде, чем в аналитических методах расчета. Практически можно отказаться от всех допущений, использованных ранее в аналитических решениях. Постановка таких задач имеет большое практическое значение, так как получаемые расчетные результаты соответствуют реальным и позволяют давать точные количественные оценки. Такие оценки необходимы для установления новых закономерностей в тепловых процессах при различных видах лазерной термообработки, нахождение оптимальных режимов, обеспечивающих высокое качество ТП.

Отсюда следует, что главным критерием оценки качества параметров технологического процесса выступает температура зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом. Оптимальный путь построения системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом, приводящий к стабилизации показателей качества технологического процесса сварки, является стабилизация температуры в зоне взаимодействия лазерного излучения с металлом.

Проведенный анализ взаимосвязи параметров ЛТК и параметров ТП сварки с качеством сварного шва показал, что существуют их граничные значения, за пределами которых рассматривать неразъемное соединение двух деталей как сварку не корректно. Это связано с большим разбросом теплофизических характеристик свариваемых металлов.

Тепловое поле при сварке определяется уравнением конвективного тсплопереносас граничными условиями:

с/

= ^ДГ; Ц;

<П>

где А - коэффициент теплопроводности; д - распределение поглощенной мощности излучения на поверхности канала.

Для решения этой задачи удобно перейти от физической плоскости (х,у) к плоскости комплексной переменной Ф = <р + 1-у/,. Для решения можно использовать интегральное преобразование Фурье. После преобразований получаем:

Т^^ехрМр^ (12)

ч = _!(1_£)сюа

(13)

где Ко - функция Макдональда. Схема измерения и распределение температурного поля представлены на рис. 4.

Анализ этого выражения позволяет заключить, что учет конвективного теплопереноса приводит к изменению формы изотермы, определяющей расположение сварочной ванны, удлиняя ее, обусловлено движением свариваемых деталей и защитного газа. Улучшение напряженного состояния в сварных соединениях за счет рационального конструирования сварных узлов, направленно на уменьшение жесткой схемы напряженного состояния, снижение остаточных напряжений. Отсюда следует, что на качество сварного шва в первую очередь влияют энергетические параметры процесса сварки и их стабильность. Это вызывает необходимость поддержания требуемой температуры в сварочной ванне, а также положение фокуса ЛИ относительно стыка заготовок.

Расчет оптимальных режимов ТП сварки является составной частью задачи оптимизации системы управления процессом.

Предложена методика расчета на основе математической модели, которая, в отличие от известных подходов, учитывает функциональную зависимость параметров стыка от теплофизических характеристик свариваемых металлов, что приводит к повышению эффективности автоматизированного процесса сварки металлов с требуемыми характеристиками качества сварного шва.

Для ее реализации применяется метод параметрической оптимизации. Основными критериями являются техническая эффективность, энергетические и временные затраты. В общем виде целевая функция имеет вид:

рц = (Хош-У)=ттР(х,у), (14)

где точка Хот соответствует наилучшему в соответствии с выбранными критериями варианту проектируемого устройства;* е К" (Я" - пространство критериев); .< - неизменные параметры устройства.

Для обеспечения качества лазерной сварки необходимо контролировать не только энергетические параметры излучения, но и положение фокусного пятна. Для подсистемы регулировки положения фокуса относительно шва были рассчитаны ее параметры.

Для слежения за траекторией движения в трехмерном пространстве используются неконтактные методы, в частности, основанные на измерении отраженного светового потока от соединяемых поверхностей.

К типовым звеньям предъявляются требования по значению выходного параметра и по динамическому диапазону его изменения. Как и в рассматриваемом звене, значение выходного параметра зависит не только от величины входного сигнала, но и от изменения параметров самого звена. Это позволяет изменять значение выходного сигнала в заданном динамическом диапазоне. Таким образом, при построении систем управления необходимо

Рисунок 4 Распределение температурного поля в зоне взаимодействия ЛИ

оптимизировать выбор звеньев по требуемому значению выходного параметра. Это обеспечивает оптимальный режим работы ЛТК для достижения заданных показателей качества ТП с возможностью изменения их в требуемом динамическом диапазоне.

В третьей главе рассматривается анализ и синтез САУ ЛТК на основе измерения информативных параметров из зоны сварки в реальном времени хода ТП и исследуются ее свойства. Предложена методика оптимизации параметров звеньев ЛТК на основе расчета математической модели распределения температурного поля по объему зоны воздействия излучения на стыке свариваемых металлов.

ЛТК состоит из совокупности взаимосвязанных звеньев, выполняющих заданные функции с определенной точностью. Оптимизация работы такого комплекса сводится в основном к оптимизации режимов работы отдельных звеньев и комплекса в целом в установленном динамическом диапазоне изменения параметров.

Наличие переменных параметров позволяет выбрать такие значения, которые являются наиболее целесообразными с точки зрения всего комплекса, однако оно резко усложняет задачу оптимизации работы комплекса, увеличивая ее размерность, и делая ее нелинейной. Нелинейность обусловлена наличием большой группы искомых величин, характеризующих режим работы каждого звена, и из-за появления дополнительных условий, накладываемых на эти величины и связи между ними.

В качестве критерия оптимизации параметров звеньев САУ ЛТК сварки с заданными показателями качества ТП выбираем минимум отклонения значений получаемых показателей качества от заданных. Он выражается в виде:

N N

Na„+YJalxi=^yl

N N N О"*)

Хляо + Х*,2^ =1>л

. 1=1 /=| ;=1

»

Для оптимизации работы комплекса с переменными параметрами рассматривается случай, когда изменение режима работы предыдущего ¡-го звена не влияет на режим работы последующего 7-го звена. Здесь оптимизация САУ ЛТК характеризуется локальным выбором режимов работы каждого звена.

Задача оптимизации работы комплекса сводится к задаче линейного программирования с переменными, независимыми друг от друга всктор-столбцами. Последние описывают режимы проведения технологических операций. Специфика данной нелинейной задачи заключается в отсутствии условий непосредственной зависимости между вектор-столбцами, в отсутствии переменных параметров, входящих одновременно в несколько вектор-столбцов.

Эта особенность является следствием того, что моделируемый комплекс не требует жесткой взаимной подстройки режимов проведения взаимосвязанных технологических операций. В результате задача оптимизации комплекса является обобщенной задачей линейного программирования, и ее решение сводится к простому методу вершин.

Данная задача решена на примере ЛТК сварки с обеспечением заданных

показателей качества ТП. САУ имеет сложную структуру с большим количеством обратных связей, и она является нелинейной.

Любая нелинейность, возникающая в звене, эквивалентна действию реактивных элементов в нем. Для анализа нелинейных систем используем метод эквивалентной линеаризации, заключающийся в замене нелинейного элемента-линейным,' выходная величина которого зависит от амплитуды входных колебаний. Данный подход рассматривается как квазигармонический анализ САУ ЛТК. Заменив нелинейный элемент, проводимость которого приближенно описывается формулой (12), группой линейных элементов, мы можем применить принцип суперпозиции для получения выходной функции:

G = — = — cos9)cos0d9 (16)

s

Для обеспечения качественных характеристик изделий, обрабатываемых с помощью ЛИ, необходима система, обеспечивающая заданные значения параметров ЛТК.

Разработанная САУ состоит из контура управления мощностью ЛИ и контуров, обеспечивающих с заданной точностью, позиционирование фокуса лазерного луча на обрабатываемой поверхности.

Регулировка мощности ЛИ выполняется управляемым блоком питания, путем изменения фазового сдвига управляющих импульсов, подаваемых на управляющий электрод тиристоров, относительно питающего напряжения. Точность регулировки мощности составляет около 1%. Система управления положением пятнаЛИ включает в себя 4 контура управления:

I - контур управления положением с помощью 3-х приводов двигателей постоянного тока по осям X, Y (рабочий стол) и Z (ОС );

//-контур управления точным положением - пьезопривод Д, осуществляющий точное позиционирование фокуса пятна на поверхности в плоскости перпендикулярной сварному шву;

/// и IV контуры обеспечивают позиционирование датчика определения кромок свариваемых деталей и кривизны сварного шва. В их состав входят привод поворота оси ФП и привод поворота ФП относительно оптической системы ЛТК.

Для точного определения положения фокуса на плоскости в двух координатах предлагается использовать способ, основанный на применении двухкоординатного, четырехплощадочного ФП, воспринимающий тепловое излучение свариваемых деталей.

Также в состав системы входит датчик контроля температуры в зоне обработки ЛИ, системы подачи компонентов (присадочного материала) и газа, для обеспечения нейтральной атмосферы в зоне обработки.

Показатели качества САУ определяются по переходным характеристикам ее подсистем. Максимально допустимое значение времени переходного процесса определяется физическими процессами взаимодействия ЛИ с поверхностью металла при сварке. Для выполнения требований ТП время переходного процесса Г должно быть:

Т <0,1-, (17)

V

где d - диаметр пятна лазерного изучения на поверхности, 0,4 мм; v -

скорость перемещения луча относительно сварного шва, 10 мм/с.

При анализе системы учитывается, что в качестве звена в нее включена зона взаимодействия луча с металлом, описываемая передаточной функцией с переменными параметрами.

Проведенные исследования,

подтверждаемые соответствующими расчетами показателей качества САУ, рис. 5, доказывают потенциальную ?.возможность создания САУ ЛТК с

обратными связями по информативным параметрам, измеряемым в реальном ■ времени протекания физических процессов в зоне взаимодействия. На Рисунок 5 - Графики переходных основании вышеизложенного, можно

процессов. считать, что главным критерием оценки

качества параметров ТГ1 выступает температура зоны взаимодействия ЛИ с металлом и точность позиционирования фокуса ЛИ относительно сварного шва.

В четвертой главе проводится анализ влияния параметров САУ на показатели качества ТП. Разработан метод контроля положения пятна лазерного излучения относительно криволинейного сварного шва, основанный на слежении за кромками свариваемых деталей по отраженному маломощного ЛИ от поверхности детали. Это позволяет в автоматическом режиме производить позиционирование фокуса лазерного излучения относительно стыка свариваемых деталей. Разработанные алгоритмы программ по расчету параметров ТП включают в себя последовательность операций, по которым проведен расчет управляющих воздействий в соответствии с математической моделью.

Решение задачи контроля положения фокуса лазерного излучения возможно

Чувствительный слой

многоэлементного координатного фотоприемника (МКФ) состоит из нескольких отдельных элементов заключенных в одном корпусе. Применение МКФ упрощает построение некоторых типов оптико-электронных преобразователей (ОЭП), так как исключает механическое сканирование. Прием информации с площадок МКФ осуществляют с помощью быстродействующих

коммутаторов, позволяющих

определить геометрическое места пятна лазерного излучения относительно сварного шва.

На рисунке 6 показано расположение пятна ЛИ на фоточувствительных площадках. При изменении кривизны сварного шва изменяется соотношение

с помощью 4-х квадрантного

Рисунок 6 - Расположение светового пятна на площадках 4-х квадрантного фотоприемника.

между внутренним сопротивлением освещенной и неосвещенной поверхностей площадок МКФ. Это приводит к изменению дифференциального значения сопротивления площадок. Поворот МКФ на угол Дер позволяет уравновесить эти соотношения, а также по разработанному алгоритму рассчитать управляющий сигнал на привод ОС с учетом пространственного положений МКФ и ОС ЛТК.

Область линейности выходного сигнала V, (х) и Уу (у) определяется неравенствами

х<1 и у<1 (18)

Как видно, при квадратном световом пятне и параллельности диагоналей квадрата осям хну взаимное влияние осей отсутствует.

Расчет активного сопротивления фоточувствительиого слоя ФП показывает его зависимость от площади освещенности

к р,.р/ _ р.р/ (19,

Ф" а[(х- дг)р„+дхр„] Ф„-^)р„+^,р„]

где Ифр - сопротивление фоточувствительиого слоя, рн, ро - удельное сопротивление соответственно неосвещенного и освещенного участков ФП, I - длина фоточувствительной площадки,

Бп, - площадь фоточувствительиого слоя соответственно полной и неосвещенной поверхностей ФП.

Как следует из расчетов поправка на привод МКФ дистанционного измерения положения фокуса лазерного излучения с учетом смещения угла ориентации между оптической осью МКФ и касательной сварного шва в точке взаимодействия лазерного излучения с металлом определяется выражением (20).

ЛФ = /(ЯФ/7„-Яфя„), (20)

где Дф - приращение угла смещения между оптической осью ФП и касательной сварного шва в точке взаимодействия лазерного излучения с металлом, Яфп,,, Яоп» - сопротивление фоточувствительного слоя соответственно полной и неосвещенной поверхностей ФП

Однако для деталей сложной формы изменяется фокусное расстояние лазера подсветки, что приводит к увеличению пятна на 4-х квадрантном ФП. Для исключения данного эффекта необходимо создать параллельный луч, что обеспечивается коллиматором. Коллиматор представляет систему линз, преобразующий расходящийся пучок ЛИ в параллельный. Поэтому площадь подсветки 4-х квадрантного ФП не будет зависеть от фокусного расстояния.

При подаче ЛИ на сварной шов, возможно его смещение относительно криволинейного стыка и детали сложной формы. Для снижения погрешности позиционирования ЛИ, вводится канал обратной связи, основанный на подсветке стыка маломощным лазером и приема отраженного излучения четырехквадрантным фотоприемником. После обработке на соответствующих звеньях САУ ЛТК, сигнал рассогласования поступает на МПС, где происходит обработка поступившей информации по заданному алгоритму и выдается сигнал рассогласования через ЧПУ на соответствующие привода. Так как фокусное расстояние маломощного лазера с известной расходимостью ЛИ будет изменятся в зависимости от расстояния оптической системы до поверхности детали, необходимо применить коллиматор, который преобразует расходящийся пучок ЛИ

в параллельный. Поэтому диаметр отраженного излучения, попадающего на четыре,'^квадрантный фотоприемник практически остается неизменным, что снижает погрешность позиционирования луча ЛТК. Коррекция позиционирования осуществляется за счет приводов.

Структурная схема разработанного варианта САУ ЛТК представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Структурная схема САУ ЛТК лазерной сварки металлов с криволинейным швом и сложной поверхности.

Температура плазменного факела измеряется отношением абсолютных интенсивностей по формуле:

/г V Ag

Г = -

Г £

—--Мехр--

4л- г Ч кт,

где V- частота; Е - энергия возбуждения; g- статистический вес уровня; А -вероятность перехода; Л - постоянная Планка; к- постоянная Больцмана; Г -температура; 2- статистическая сумма; М- концентрация ионов.

При использовании указанной формулы оценивается

температураисследуемой зоны источника излучения спектра, обусловившая определённое значение отношения интенсивностей линий /; / /2 в соответствии с которым она равна:

То=___Аг^_■

(21)

I*

(22)

Л "Ч«2А2,

Используя известный ФП, при условии совмещения плоскости анализа поляризатора одного из фоточувствительных элементов с плоскостью поляризации анализируемого излучения, можно, измеряя напряжение фотосигнала с чувствительных элементов, определить степень линейной поляризации падающего излучения по формуле:

■Я,

+ ■^=90

т.е. используя известный ФГТ можно определить степень линейной поляризации излучения, азимут которого совпадает с плоскостью анализа одного из поляризаторов ФП.

Измеряя напряжения фотосигнала, вычисляем степень поляризации Р и азимут поляризации у анализируемого излучения:

п ^„-»„„М/,.«-"^)2

у/ = - - агс/^ ■

6 / 1 / t /

\ - \ ■ \ -

(24)

(25)

///>////

Рисунок 8 - Схема измерения температуры в зоне обработки

Применение 2-х элементного поляризационно-чувствительного пирометра позволяет определить параметры вектора Стокса (амплитуда, степень и азимут

поляризации) атомарного

излучения для спектральной линии присадочного материала с известной длиной волны при известной температуре. Процесс воздействия ЛИ на металлы можно описать энергетическим уравнением:

+ К,, т, + + „™„„„, + К„„, (26)

где И',,,,- энергия подводимого ЛИ в зону обработки; №„,„,,>,„„- давление кислород; п/тю - выделяемая энергия от окислительных процессов; - энергия затрачиваемая на плавление металла и испарение; - энергия механических

колебаний ЛИ; \У1шраж- отраженная энергия из зоны взаимодействия ЛИ с металлом; 11Л - энергия химических реакций в зоне обработки; -

энергия, затрачиваемая на вылет частиц расплавленного металла.

Подводимые энергии: УУ,„- энергия подводимого ЛИ в зону обработки;

= "10,/2 ' энеРгия давления газа;1¥т = Е,уЬЬ, где Ет ~суТт, су - объемная теплоемкость, тт - температура плавления, Ь - толщина образца, Ь - ширина реза, V - скорость резки.

Расходуемые энергии: = су(Т)~+с1МУ, где IV - тепловой

81

поток, Я,. - коэффициент теплопроводности; ¡У^ - отраженная энергия составляет около 30% от мощности ЛИ, т.к. температура металла превышает температуру плавления и коэффициент поглощения составляет 0,7; №„„,,„ энергия, затрачиваемая на возбуждение механических колебаний в металле

составляет 5-6 % от мощности ЛИ; 1Укт - энергия, затрачиваемая на вылет

частиц расплавленного металла.

Таким образом, при обработке металлов ЛИ, с подачей газа, существуют критические значения мощности, при уменьшении или увеличении которых происходят скачкообразные переходы от одного ТП к другому. Это объясняется недостаточным давлением лазерного излучения.

На рис. 9 представлена схема алгоритма расчета распределенного управления, отображающая последовательность решения.

Рисунок 9 - Схема алгоритма расчета распределенного управления.

Вид аппроксимирующей функции оказывает значительное влияние на точность получаемого решения, трудоемкость, затраты времени на вычисления. При удачном выборе аппроксимирующей функции удовлетворительное для практики решение может быть получено за. одну итерацию. При выборе аппроксимирующей функции необходимо учитывать характер изменения температуры, который носит экспоненциальный вид.

В заключении работы приведена общая характеристика работы и основные выводы по ее результатам. Показано, что результатом исследований взаимосвязи

между параметрами отдельных звеньев ЛТК с показателями качества ТП является многообразие оптимальных критериев оценки эффективности САУ ЛТК, зависящих от типа ТП и требований к показателям качества готовой продукции. Повышение эффективности САУ ЛТК является следствием решения оптимизационной задачи по выбору параметров звеньев.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Способ измерения температуры в зоне взаимодействия лазерного излучения с металлом на основе поляризационной фильтрации и спектрального анализа атомарного излучения плазменного факела, позволяющий определять температуру с точностью до 2%.;

2. Способ контроля топографии сварного шва, отличающийся от известных тем, что существенно уменьшено влияние механических вибраций свариваемых деталей и лазерной головки, позволяющий уменьшить погрешность позиционирования до 3%;

3. Разработанный метод оптимизации параметров звеньев лазерного технологического комплекса позволяет выбрать оптимальные параметры звеньев ЛТК для выполнения ТП сварки с заданными показателями качества;

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Научные статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Кузнецов И.Н. Исследование процесса влияния изменения мощности при газолазерной резке металлов/ И.Н. Кузнецов, В.А. Песошин, В.В. Звездин, С.М. Портнов, P.A. Кисаев// Вестник КГТУ им. Туполева, 2010. - № 2. - С. 43-46.

Научные статьи и тезисы докладов:

2. Кузнецов И.Н. Исследование процесса взаимодействия лазерного излучения с металлами на основе поляризации теплового излучения/ И.Н. Кузнецов, В.В. Звездин, С.М. Портнов, P.A. Кисаев, A.B. Хамадеев// Образование и наука Закамья Татарстана: электронное периодическое издание. - №11. — Наб. Челны: ИНЭКА, 2008. — http://kama.openet.ru

3. Кузнецов И.Н. Системный подход к разработке модели формирования микроструктур в металлах при лазерной закалке/ И.Н. Кузнецов, В.В. Звездин, Д.А. Башмаков, А.И. Нугуманова, И.Р. Шангараев// Проектирование и исследование технических систем: Межвузовский научный сборник. - №12 - Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2008. - С.86-94.

4. Кузнецов И.Н. Исследование процесса взаимодействия лазерного излучения с металлами на основе анализа ультразвуковых колебаний/ И.Н. Кузнецов, И.Х. Исрафилов, В.В. Звездин, Д.Э. Велиев// Проектирование и исследование технических систем: Межвузовский научный сборник. - №14. - Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2009. -С.51-55.

5. Кузнецов И.Н., Экономическая эффективность при лазерной кислородной резке с уменьшением мощности лазерного излучения/ И.Н. Кузнецов, С.М. Портнов, P.A. Кисаев// Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-

технический журнал, 2010. - № 3. - http://kampi.ru/sets.

6. Кузнецов H.H., Оптимизация режимов лазерной резки металлов в среде кислорода/ И.I I. Кузнецов, С.М. Портнов, P.A. Кисаев// Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2010. - №3. -

7. Кузнецов И.Н., Синтез и анализ системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом/ И.Н. Кузнецов, В.В.Звездин, P.A. Кисаев, С.М. Портнов// Проектирование и исследование технических систем: Межвузовский научный сборник. - №15. - Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2010. -С.95-100.

8. Кузнецов И.Н., Об энергетическом балансе при газолазерной резке металлов/ И.Н. Кузнецов, В.В. Звездин, А.И. Нугуманова, P.A. Кисаев, С.М. Портнов// «Образование и наука - производству»международная научно-техническая и образовательная конференция. (2010; Набережные Челны). В 2-х ч. Часть I, книга 3. Набережные Челны: Изд-во ИНЭКА, 2010. С. 102-103.

9. Кузнецов И.Н. Способ измерения температуры в зоне лазерной резки / P.A. Кисаев, И.Н.Кузнецов, В.В. Заморский // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2011.-№ 3.-http://kampi.ru/sets.

10. Кузнецов И.Н. Способ контроля криволинейное™ сварного шва с различной геометрией шва и форм деталей / В.В. Звездин, P.A. Кисаев, И.Н. Кузнецов, // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2011. - № 3. - http://kanipi.ru/sets.

у

Соискатель .,— ■_И.Н. Кузнецов

Подписано в печать 03.06.11 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать ризографическая Уч.-изд.л. 1,4 Усл.-печ.л. 1,4 Тираж 100 экз.

Заказ 2066 Издательско-полиграфический центр «Камской государственной инженерно-экономической академии» 423810, г. Набережные Челны, Новый город, проспект Мира, 68/19 тел./факс (8552) 39-65-99 e-mail: ic@ineka.ru